CN101218401A - 判断离心涡轮机械剩余寿命的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种离心涡轮机包括叶轮和速度传感器，该速度传感器设置成用以检测与叶轮速度相关联的速度。温度传感器设置成用以检测与叶轮出口温度相关联的温度。控制系统具有包括叶轮速度和出口温度的叶轮参数。采用计算方法学对叶轮参数进行数学处理，以便判断叶轮的剩余寿命。控制系统响应达到阈值时的剩余寿命触发诸如警告指示的程序响应。控制系统监控叶轮的速度和温度。控制系统基于速度和温度迭代地计算剩余寿命。在一个示例中，响应导致超出叶轮耐久强度的叶轮应力的速度变化计算出剩余寿命的变化。

Description

判断离心涡轮机械剩余寿命的系统和方法
技术领域
本发明涉及判断离心涡轮机械叶轮的剩余寿命的系统和方法。离心涡轮机可以包括一个或多个泵、涡轮或者压缩机叶轮。
离心涡轮机械为了更好的空气动力学特性而典型地以高的轴速(shaft speed)运行。在设计速度下，最高应力接近该种应用中典型采用的材料例如铝合金的屈服强度。通常，如果诸如固定速度的运行应力稳定则这是可以接受的。
涡轮机械设备可以期望以固定速度的相对稳定的模式下运行或者变速运行。变速应用的一个示例为空气压缩机必须产生最大压力然后停止或返回到较低速度的空转模式(idle mode)，以便节省能量。典型的空转速度为设计速度的30％，其中功率降低到最大功率的3％。叶轮中的应力根据速度的平方而变化。
当经历了许多启动-停止循环或任意速度偏差时，材料会降级及疲劳失效。寿命曲线为应力比(定义成最小应力/最大应力)函数。平均应力为最大应力和最小应力的平均。给定应力循环的幅度为(最大应力-最小应力)/2。材料强度也随着温度的升高而降低。如果累积了足够的循环，材料由于来自离心负荷的高平均应力而在最高应力位置处产生裂纹并严重失效。实际上，速度可根据应用情况以稍微随意的特性从任何最小值循环到最大值。当出现严重失效点时合理准确的预测是有益的。
发明内容
本发明涉及包括一个或多个叶轮的离心涡轮机械。速度传感器设置成用以检测与叶轮转速相关联的速度。温度传感器设置成用以检测与叶轮出口温度相关联的温度。控制系统具有包括叶轮速度和出口温度的叶轮参数。采用计算方法学对叶轮参数进行数学处理，以便判断叶轮的剩余寿命。诸如警告指示的程序化响应由控制系统响应达到阈值时的剩余寿命进行触发。
运行中，控制系统监控叶轮的速度和温度。控制系统基于该速度和温度迭代地(iteratively)计算剩余寿命。在一个示例中，响应导致叶轮应力超出叶轮耐久强度的速度变化而计算出剩余寿命的变化。
根据下文中的说明并结合附图，可更好地理解本发明的这些和其它特征，以下是附图的简要说明。
附图简要说明
图1为具有发明性的剩余寿命控制系统的离心涡轮机的截面图。
图2为描述了根据有限元分析获得的作为叶轮速度函数的最大叶轮应力的曲线图。
图3为叶轮材料的疲劳应力相对于作为温度和应力比函数的疲劳寿命的曲线图。
图4为描述成修正的古德曼图(Goodman diagram)的寿命计算。
图5为总体上描述了用于判断叶轮剩余寿命的发明性的方法学的流程图。
具体实施方式
图1示意性地示出了离心涡轮机10。如本领域众所周知的那样，涡轮机10包括驱动转子轴14的定子12。叶轮16安装在轴14上。叶轮16将流体从入口18传输到出口20。
本发明的离心涡轮机包括速度传感器22，速度传感器22用于检测叶轮16的速度。速度传感器22直接或间接地检测叶轮16的转速。温度传感器24设置成用以检测与叶轮16相关联的出口温度。在示出的示例中，温度传感器24设置在叶轮16的出口附近。
控制系统包括控制器26，控制器26与速度传感器22和温度传感器24通信。控制器26可以同其它的转换器(transducer)通信。此外，控制器26可以接收和存储其它叶轮参数，例如那些与叶轮材料性质和叶轮应力特性相关的参数。应力特性可以作为来自叶轮16的有限元分析模型和/或表格的输出而提供。
应力特性可以包括作为速度函数的最大叶轮应力、作为温度函数的疲劳强度、应力比、疲劳失效循环以及疲劳强度修正因子。如本领域众所周知的那样，应力特性可以作为查找表部分或任何其它合适方式而提供。疲劳强度修正因子可包括与叶轮表面光洁度、叶轮特定特征的尺寸、叶轮特定区域上的载荷以及叶轮温度有关的信息。叶轮参数可以试验的方式或数学的方式进行判定。
对于图1所示的离心涡轮机示例而言，设计速度为58000转/分钟(rpm)。高速导致叶轮达到最大运行条件下的屈服应力附近。图2示出了高达过度屈服点的作为速度函数的应力。从分析中可以看出(为铝合金)，最高应力接近屈服强度。
图3示出了给定温度下作为脉动应力和疲劳寿命循环函数的普通铝合金的强度损失。如图4所示，修正的古德曼图大致示出了寿命计算。通过该分析，给定最小-最大运行速度和温度和给定启动-停止循环/小时数，有可能估算出叶轮在失效前可承受的应力循环数或可允许的运行小时数。本发明有助于计算因叶轮任意的速度偏差而引起的寿命缩减。可以使用各种计算方法学。例如，可以基于帕姆格林-迈因纳(Palmgren-Miner)循环比总和方法或梅森的近似法(Manson’s approach)进行计算。这些方法学在本领域广为所知。
希望持续监控的参数为叶轮速度和叶轮出口温度。例如，根据有限元分析判断图2示出的作为速度函数的最大叶轮应力。如图3所示，叶轮材料性质尤其是疲劳应力用作温度、应力比以及失效循环的函数。参照图3，应力比0％表示启动-停止循环，而10％表示速度偏差达到设计速度的30％的示例。图3示出了相应可用到的材料强度和失效循环。
监控数据、叶轮应力特性、材料性质以及计算方法学可以编入控制器26的程序并作为离心涡轮机10的控制系统部分包括在内。在一个示例中，如果累积循环接近失效前的警报限制或可允许的循环数，则采用计算结果触发诸如视频或音频警报的警告指示。可允许的循环典型地通过使用适于特定应用的所需安全因子来确定。
警报警告可以设定为小于诸如百分数的警报限制。一旦达到警告阈值时，控制系统可以防止速度偏差直到可以安排关闭单元和更换叶轮。采用这种方式是因为对速度偏差的防止避免了对叶轮的累积损伤。
当达到警报限制时，单元关闭以便更换叶轮。备选地，可以允许单元持续地高速度运行以便消除任何的脉动应力直到可以便利地安排关闭。采用这种方式，消费者可以在实际失效之前被预先警告更换叶轮。
运行中，类似于图5所示示例的方法学可以用来判断叶轮的剩余寿命。方法30包括框32所示的判断叶轮最大设计应力的步骤。通过使用有限元分析可以提供最大设计应力。如框34所示，通过传感器22和24监控叶轮速度和温度。计算出速度变化和平均温度。启动-停止循环以及任意的速度偏差导致了对叶轮疲劳寿命产生负面影响的速度变化。本发明的方法量化了由速度变化引起的疲劳寿命的缩减。
在框36，计算出因速度变化而产生的应力以便判断应力是否超出用于叶轮无限寿命的耐久强度。如果应力超出耐久强度，则如框38所示计算出叶轮寿命的缩减。在一个计算方法的示例中，计算出对应于因速度变化而产生的应力循环的循环数(Nf)。Nf为最大速度N1和应力比rs的函数。
Nref＝63000σref＝49.4
Scorr＝σref(N1/Nref)2
Smax＝Scorr/CF，其中CF＝kakbkckd[Marin疲劳修正值]
Seq＝Smax(1-rs)0.55
Log(Nf)＝10.5-3.79Log(Seq-16)
注意Nf为应力比rs的函数
rs＝最小应力÷最大应力
或者，假定应力随着速度的平方变化：
rs＝(N2÷N1)2
如果随着时间的变化监控转速，如框38所示可以计算出累积应力循环并估算出剩余寿命。例如，对于每个应力循环而言以寿命变量初始值L＝0开始：
发现Nf(N1，rs)
ΔL＝1/Nf
L＝L+ΔL
极限L＜1.0
在任一时间点，L为叶轮记录的期望寿命部分。
在一个示例中，典型的天的运行包括从静止变化到60000转/分钟的最大转速，在最大转速和20000转/分钟的最小转速之间合计往复四次并返回静止。温度从环境温度开始升高到最大的300华氏度。疲劳强度修正因子为：
表面，Ka＝0.9000(已加工表面)
尺寸，Kb＝0.856(直径＝1.181英寸)
负荷，Kc＝1.0
温度，Kd＝1.098-1.25116*T(华氏度)，铝合金7050-T351
其中Kd＝ST/SRT，和
ST＝运行温度时的强度，T
SRT＝室温时的强度
下面表格示出了寿命计算结果。
  循环   N1rpm   N2rpm   rs     温度   CF   Scorrksi   Smaxksi   Seqksi   Nf   ΔL天   L天
  1   60000   20000   0.1     150   0.70   44.8   63.8   60.2   18305   0.000055   0.000055
  2   60000   20000   0.1     225   0.63   44.8   71.2   67.2   10553   0.000095   0.000149
  3   60000   20000   0.1     300   0.56   44.8   80.4   75.9   5813   0.000172   0.000321
  4   60000   20000   0.1     300   0.56   44.8   80.4   75.9   5813   0.000172   0.000493
  5   60000   0   0     300   0.56   44.8   80.4   80.4   4410   0.000227   0.000720
当该天结束时，累积的L值表明已耗费了期望寿命的0.072％且如果典型的，可以期望另一个1/0.000720＝1389天＝3.8年。
当剩余寿命达到阈值时，控制器26可以如框42所示启动警告指示(警告指示可以包括视频或音频警告)。备选地，剩余寿命可以以易理解的方式简单地存储或显示以便维护人员周期性地检查。于是维护人员可以如图44所示在失效前更换叶轮。方法30迭代地重复计算因速度变化而随后引起的叶轮寿命的缩减。
尽管已公开了本发明的优选实施例，但本领域的普通技术人员应当理解某些修改仍将属于本发明的范围。因此，下列权利要求将用于确定本发明的真实范围和内容。

Claims (17)

1.一种涡轮机，其包括：
叶轮；
速度传感器，其设置成用以检测与叶轮速度相关联的速度；
温度传感器，其设置成用以检测与叶轮出口温度相关联的温度；
控制系统，其具有包括叶轮速度和出口温度的叶轮参数、数学处理所述叶轮参数以便判断所述叶轮剩余寿命的计算方法学以及由所述控制系统响应达到阈值的所述剩余寿命而触发的程序化响应。
2.根据权利要求1所述的离心涡轮机，其特征在于，所述速度传感器检测支承所述叶轮的轴的速度。
3.根据权利要求1所述的离心涡轮机，其特征在于，所述温度传感器设置在叶轮出口附近。
4.根据权利要求1所述的离心涡轮机，其特征在于，所述计算方法学基于帕姆格林-迈因纳循环比总和。
5.根据权利要求1所述的离心涡轮机，其特征在于，所述计算方法学基于梅森的近似法。
6.根据权利要求1所述的离心涡轮机，其特征在于，所述涡轮参数包括所述涡轮的材料性质。
7.根据权利要求6所述的离心涡轮机，其特征在于，所述叶轮参数包括所述叶轮的应力特性。
8.根据权利要求7所述的离心涡轮机，其特征在于，所述应力特性包括作为速度函数的最大叶轮应力、作为温度函数的疲劳强度、应力比以及相对于最大应力的失效循环中的至少一个。
9.根据权利要求7所述的离心涡轮机，其特征在于，所述应力特性包括疲劳强度修正因子。
10.根据权利要求1所述的离心涡轮机，其特征在于，所述程序化响应为警报指示。
11.一种计算叶轮剩余寿命的方法，其包括步骤：
a)监控叶轮速度；
b)监控与所述叶轮相关联的温度；
c)基于所述速度和所述温度迭代地计算所述叶轮的剩余寿命；和
d)当所述剩余寿命达到阈值时产生警报指示。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤c)以计算作为所述叶轮速度变化函数的所述剩余寿命为基础。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤c)包括以对应于由所述速度变化产生的应力循环的速率迭代地计算剩余寿命。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤c)包括计算可归因于所述速度变化的寿命变化。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤c)以计算作为应力比函数的所述剩余寿命为基础。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤c)使用所述叶轮的最大设计应力。
17.一种用于叶轮的控制器，其包括：
用于从速度传感器接收信息的装置，所述速度传感器设置成用以检测所述叶轮的速度；
用于从温度传感器接收信息的装置，所述温度传感器设置成用以检测所述叶轮出口的温度；
用于使用从所述速度传感器和所述温度传感器接收的所述信息判断所述叶轮剩余寿命的装置；和
用于当所述剩余寿命达到阈值时产生警告的装置。
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